超宽谱透射式的太赫兹波正交偏振转换器

利用CST电磁场仿真软件模拟设计了基于开口谐振环-介质-光栅3层结构的超宽谱透射式的太赫兹波正交偏振转换器件,研究了各层透射系数谱以及结构参量对偏振转换的影响,通过计算结构电场和电流分布分析了器件的工作原理.模拟结果表明:设计的器件实现在0.5~2.7THz频谱内,将入射的y偏振太赫兹光转换成x偏振光,转换效率高达99%.由结构电场分布以及表面电流分布推出,入射的y偏振太赫兹光耦合到开口环上,形成振荡的电偶极子,并辐射出太赫兹波x偏振分量.底部光栅层的作用是透过x偏振分量,并将剩余的y偏振光反射回开口环层,并在开口环层和光栅层间形成法布里-珀罗反射进一步提高偏振转换效率.可通过优化介质层厚度、光栅宽度和阵列周期关键参量来优化器件的转换性能.     

椭圆金环结构的太赫兹透射增强

利用太赫兹时域光谱系统,测量了3种在硅衬底上淀积厚度为100nm金膜的椭圆环阵列结构后,并且分析了各样品在太赫兹波段的透射增强现象及产生机理.结果表明:在整个太赫兹波段,此组结构样品的透射系数均在0.68以上,产生明显的透射增强;当太赫兹波的偏振方向与椭圆环长轴之间的夹角为90°时,3个样品在1.67THz处的共振峰是由于短轴方向的电子形成偶极子振荡与入射太赫兹波进行耦合产生的;夹角为0°时,周期阵列样品无明显共振峰,而分形阵列样品的共振峰则不如斑图阵列样品的明显;样品结构的对称性越差,透射谱的信息越丰富.此外,分析相位差谱也验证了共振增强透射的存在.     

多功能太赫兹超表面偏振控制器

本文提出了一种“金属栅-开口环/硅环-金属栅”结构的透射式超表面偏振控制器, 研究了入射角度和抽运光对该器件传输及偏振态控制性能的影响. 研究结果表明, 当线偏振太赫兹波垂直入射时, 可对0.39-1.11 THz频段的太赫兹波实现偏振方向90°旋转, 偏振旋转效率为99%, 损耗为1 dB. 对于斜入射的情况, 偏振转换性能在0-60°范围内基本保持不变, 且透过率达到90%以上. 同时, 通过调控抽运光强度的方式, 该器件能够实现对透射与反射太赫兹光束的强度调制, 调制深度均达到90%, 且可以实现太赫兹波偏振分束功能. 该器件可以作为未来太赫兹空间光通信和信息处理的宽带、角度不敏感、可调谐的偏振转换器和分束器.     

基于史密斯-帕赛尔效应的太赫兹振荡器的原理与特性分析

提出了一种基于史密斯-帕赛尔效应的太赫兹振荡器,该器件由电子枪、调制腔、输出腔、收集极等部分构成。在器件调制腔中,电子注的速度调制通过史密斯-帕赛尔效应完成的,当群聚电子注通过输出腔时,群聚电子注会在输出腔的间隙处激励起高频电场,该高频电场会使电子注的一部分动能转换为高频能量,并完成太赫兹振荡.模拟发现:当金属光栅的空间周期为0.6mm、电子注能量为100keV时,利用史密斯-帕赛尔效应调制的太赫兹振荡器可以输出频率为349.017GHz和346.324GHz、功率谱密度接近4kW/GHz、最大输出峰值功率超过2kW的太赫兹波.     

PtSe2薄膜的时间分辨太赫兹光谱特性研究(特邀)

基于时间分辨太赫兹光谱技术,研究了不同厚度的二硒化铂(PtSe_2)薄膜在太赫兹波段的光学特性。实验结果表明,当泵浦光功率从0增强至2 540μJ/cm2时,11 nm-PtSe_2薄膜的电导率逐渐增大,透射太赫兹信号强度减小;而197 nm-PtSe_2薄膜的电导率逐渐减小,透射太赫兹信号强度增大。由此构造的光控太赫兹调制器件的调制速度约为14 ps,工作带宽为0.2～1.8 THz,调制深度为15%～35%。研究证明PtSe_2薄膜材料在高速光控太赫兹器件领域具有应用潜力。     

基于格林函数法研究金属线栅在太赫兹波段的散射特性

本文运用格林函数法分析金属线栅在太赫兹(THz)波段的散射特性, 研究金属线栅的衍射效应对其传输特性的影响. 研究结果表明, 在零级衍射区入射电磁波的透过振幅随a/λ的增大单调增加, 在零级衍射极限处透过振幅达到最大值. 过渡区的临界频率处, 由于衍射效应的加强, 出现入射电磁波透过曲线的振荡. 衍射区受到衍射效应的影响入射电磁波透射振幅曲线总体下降, 并随a/λ的增大单调减少. 与微波传输线方法相比, 该方法摆脱了入射电磁波的波长需大于线栅常数且要求线栅的厚度远远小于金属线的宽度的限制, 能准确的分析系统的电磁场的分布特性, 更具普适性. 关键词： 金属线栅 太赫兹波 散射 格林函数法     

太赫兹偏振测量系统及其应用

麦克斯韦方程中的介质响应特性一般由本构关系中的介电函数ε(ω)和磁导率μ(ω)来描述,对于介质中传播的电磁场,通常存在两个独立的本征传播模式,它们是齐次麦克斯韦方程组的特解,各自具有特定的色散关系和偏振态。如果介质中传播的电磁场为两个本征模分量的线性迭加,其偏振态将会随着传播的过程而改变。常见的现象有各向异性晶体中的双折射、超材料中的偏振调制效应、自然界中手性材料的旋光响应以及外磁场作用下产生的Faraday效应等。本文从测量方法、数据处理、测量精度等方面介绍太赫兹时域偏振检测系统及其发展状况,特别是利用线栅、超材料以及光学手段调制太赫兹电场偏振态的方法。对近几年太赫兹偏振检测系统在分析手性超材料、太赫兹圆二色谱以及Faraday效应等实验中的应用进行了总结和讨论。最后展望了太赫兹偏振检测系统未来进一步的发展空间及应用前景。     

金属网栅法布里珀罗干涉仪测量太赫兹波波长

设计并制作了用于测量波长大于150 μm(频率低于2 THz)的太赫兹波波长的金属网栅法布里珀罗干涉仪(FPI)。采用光电子微纳制造工艺制作了五组周期不大于40 μm,线宽不大于10 μm的有衬底方形金属网栅,利用太赫兹时域光谱技术测量了金属网栅的太赫兹波段光电特性,得到了各组金属网栅在感兴趣频段的反射率和金属网栅FPI的反射精细度,结果表明所制作的金属网栅FPI均可用于测量波长大于150 μm的太赫兹波。实验搭建金属网栅FPI扫描测量了212 μm的太赫兹波波长,与理论结果吻合。研究了金属网栅FPI对太赫兹波偏振方向的依赖性以及对FPI腔镜平行度的要求,结果表明,方形金属网栅FPI对正入射太赫兹波偏振方向不敏感,而对FPI腔镜平行度很敏感。     

基于非对称开口环超表面结构的电磁响应研究

超表面具有特殊的电磁响应特性,在太赫兹领域具有广泛的应用前景.设计了以1对镜像的、非对称开口的金属环为基本单元的超表面阵列结构.仿真结果表明该超表面结构在太赫兹电磁波入射时产生镜像对称的偶极子共振电流,形成诱导磁场,进而通过感应产生的诱导电场来调控太赫兹透射波.利用COMSOL软件研究了开口环结构、分析层与衬底等参量对太赫兹电磁波响应的影响.通过光刻加工了具有典型参量的样品,利用太赫兹时域光谱仪测量样品的透过率曲线.实验测量结果和仿真模拟结果趋势基本一致.     

超低温高电场下GaAs的电子太赫兹功耗谱的研究

利用自由空间太赫兹电光取样方法,测量了在高电场下,GaAs中受飞秒激光脉冲激发的电子所辐射出的太赫兹电磁波,发现从样品中辐射出的和电子加速度成正比的太赫兹电磁波电场强度E_THz（t）,表现出双极特性.通过分析GaAs中辐射出的太赫兹电磁波的傅里叶变换谱,首次实验上得到在阶跃电场下的GaAs的电子太赫兹功耗谱.研究发现,当电场小于50 kV/cm时,由电子谷间散射引起的负功耗（即增益）的截止频率ν_c,随着电场的增大而增大;当电场大于50 kV/cm时,负功耗的截止频率ν_c开始在750 GHz（10 K）附近饱和. 关键词： 太赫兹 非平衡载流子 功耗谱 谷间散射     

基于人工表面等离激元探针实现太赫兹波的紧聚焦和场增强

为提高太赫兹近场显微成像技术的分辨率,设计了一款在Teflon探针的尖锥形表面镀上厚度渐变、具有相同占空比的超薄金属银制条带的探针,用于实现探针尖端处人工表面等离激元的激发和太赫兹波的亚波长聚焦.研究表明,对于频率为0.1 THz的入射波,厚度渐变镀银条带探针产生的紧聚焦光场的尺寸可稳定在20μm左右(λ/150),探针尖端处最大电场强度为入射电场强度的849倍.研究还发现,周期性金属条带的数目和入射电场的偏振方向可对探针尖端处产生的紧聚焦光斑的尺寸和电场强度等进行灵活有效的调控.     

Optical generation of terahertz plasmons on comb-shaped surface of metal

The possibilities of a recently proposed (Opt. Express 17, 9323 (2009)) method for generating terahertz surface plasmons on a microstructured (comb-shaped) metal surface using a nonlinear polarization pulse that moves with a superluminal velocity and is induced by an ultrashort laser pulse in a strip of electrooptic material deposited on the surface are theoretically studied. For an arbitrary direction of motion of the nonlinear source along the comb-shaped surface, fields of excited terahertz plasmons and the angular spectral distribution of the radiated energy are calculated. It is shown that the spectral and energy characteristics of plasmons can be efficiently controlled by varying the direction of motion of the source. Conditions (parameters of the comb-shaped structure, direction and velocity of motion of the source) that ensure the maximal efficiency of the optical-to-terahertz conversion are found. The developed method of terahertz generation is promising for surface terahertz spectroscopy.     

Metal nanoparticle production by pulsed laser nanostructuring of thin metal films

The controllable nanostructuring of thin metal films by nanosecond UV laser pulses is introduced as a novel technique for the production of metal nanoparticles supported on a range of different oxide substrates, including indium tin oxide. This processing is performed at low macroscopic temperatures. The physical mechanisms underlying the nanostructuring are discussed and applications for these nanoparticle films, including as catalysts for nanotube/nanowire growth and in surface enhanced Raman spectroscopy measurements, are introduced.     

Common-path double-pass optical interferometry using a wire-grid polarizer as a reference mirror

A novel common-path double-pass optical interferometer that employs a wire-grid polarizer (WGP) as a reference mirror is presented. When a laser beam polarized at 45° relative to the wire grid is incident on the WGP, the polarization component parallel to the grid direction (s-polarized beam) is reflected and is used as a reference beam. The perpendicular component (p-polarized beam) passes through the WGP coupled with a quarter-wave plate and serves as a probe beam, with its polarization transformed as p, right-circular, s, left-circular, and p, to irradiate the sample surface twice in order to double the phase change due to displacement of the sample. This beam is then retransmitted through the WGP, where it recombines and interferes with the reference beam. Preliminary experiments demonstrate that the WGP performs successfully as a reference mirror, and that the interferometer has a potential displacement sensitivity as low as 0.1 nm.     

电子在激光驻波场中运动产生的太赫兹及X射线辐射研究

采用单电子模型和经典辐射理论分别对低能和高能电子在线偏振激光驻波场中的运动和辐射过程进行了研究. 结果表明: 垂直于激光电场方向入射的低速电子在激光驻波场中随着光强的增大, 逐渐从一维近周期运动演变为二维折叠运动, 并产生强的微米量级波长的太赫兹辐射; 高能电子垂直或者平行于激光电场方向入射到激光驻波场中, 都会产生波长在几个纳米的高频辐射; 低能电子与激光驻波场作用中, 激光强度影响着电子的运动形式、辐射频率以及辐射强度; 高能电子入射时, 激光强度影响了电子高频辐射的强度, 电子初始能量影响着辐射的频率; 电子能量越高, 产生的辐射频率越大. 研究表明可以由激光加速电子的方式得到不同能量的电子束, 并利用电子束在激光驻波场的辐射使之成为太赫兹和X射线波段的小型辐射源. 研究结果可以为实验研究和利用激光驻波场中的电子辐射提供依据.     

氢团簇在飞秒强激光场中的动力学行为

利用分子动力学方法研究了氢团簇在飞秒强激光场中的动力学行为. 与库仑爆炸模型所预言的不同, 团簇的膨胀是各向异性的, 质子平均动能沿激光场极化方向上的分量要明显大于垂直于激光场极化方向上的分量. 讨论了团簇各向异性膨胀产生的原因, 分析了激光和团簇参数对各向异性程度的影响.     

圆偏振激光脉冲附加静电场或太赫兹场时H2+高次谐波产生

本文通过数值求解二维含时薛定谔方程理论的研究了圆偏振激光脉冲(circularly polarized laser pulse, CPLP)作用下H2+的高次谐波产生(high-order harmonic generation, HHG)。通过对比CPLP附加静电场和CPLP附加太赫兹场(terahertz, THz)时的高次谐波发射谱发现,当在CPLP的方向附加静电场时,谐波谱出现双平台结构,且布满调制,通过电子波包概率分布图像发现,电子三次与母核复合,量子轨道之间产生了较严重的干涉。当附加相同强度的THz场时,电子仅两次与母核复合,量子轨道之间的干涉减少,最终得到了86eV到208eV带宽为122eV的连续谱,相比于附加静电场,谐波谱变得连续且平滑,实现了量子轨道调控。最后,利用半经典三步模型、时频分析和电离几率等对谐波发射物理机制进行了深入研究。     

瞬态光电流对有机薄膜光伏器件中肖特基接触的研究

制备了结构为氧化铟锡(ITO)/有机半导体/金属的有机薄膜光伏器件,电流--电压曲线显示其具有整流特性但有机半导体和电极间肖特基接触的内建电场方向很难判定.为了研究有机半导体和电极的肖特基接触特性,分别制备了结构为ITO/有机绝缘层/有机半导体/金属和ITO/有机半导体/有机绝缘层/金属的器件,通过调制激光照射下器件的瞬态光电流方向可容易判断有机半导体和电极间肖特基接触的内建电场方向,外加偏压下瞬态光电流的强度变化进一步证实了判断的正确性.     

Design of wire-grid polarizer with effective medium theory

A design concept of a wire-grid polarizer, which is based on the effective-medium theory, has been proposed. The effective indices of a wire-grid grating are evaluated with the effective-medium theory. The results show that, the wire-grid grating acts as a metal for TE polarization, but it behaves like a dielectric material for TM polarization. According to the different effective optical properties of the wire-grid grating for the different polarizations, a wire-grid polarizer with a high polarization ratio can be obtained by enhancing both the transmission for TM polarization and the reflection for TE polarization.     

Terahertz transmission characteristics of double wire-grid polarizer on low-loss polyethylene substrate

We fabricated a double metallic wire-grid polarizer consisting of micrometer-pitch Cu grating on both sides of low-loss polyethylene substrate by simple electroplating and lithography micro-processing techniques. The performance of transmission was measured using a terahertz (THz) time domain spectroscopy system. The mixed polarization effects of surface plasmon polaritons in an azimuthally rotated grating were investigated. The polarization dependence of both amplitude and phase shift on frequency was demonstrated in the wide range of 0.1?C3 THz, and the extinction ratio is over 22 dB.